基于环氧复合沥青的嵌固抗滑极薄磨耗封层性能研究

■王家主 杨龙清

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

0 引言

我国沥青路面通常在服役后不久即发生表面构造磨损消耗的现象，造成抗滑性能急剧衰减，严重影响车辆的行驶安全以及道路的服务水平。针对此类结构强度完好、仅仅需要恢复表面功能的早期病害， 通常采用含砂雾封层、微表处等预防性养护技术进行处治。该类技术成本相对低廉， 施工简易高效， 而且可以有效恢复路面抗滑性能，但是目前国内大多数含砂雾封层技术中，由于胶结料的粘结强度不够， 尤其在雨水较多的南方地区应用时容易出现磨耗、剥落等现象，耐久性不够。 本文基于水性环氧树脂和改性乳化沥青的优异性能， 研发一种新型的嵌固抗滑极薄磨耗封层技术。

1 实验部分

1.1 实验材料

(1)SBS 改性沥青采用I-D 型SBS 改性沥青； 沥青乳化剂为采购自北京新路时代科技有限公司的RTE-RM1型乳化剂。

(2)环氧树脂为采购自大连志辰合成材料有限公司的ZEW-331 型自乳化环氧树脂；水性环氧固化剂为采购自苏州梅果望地坪材料有限公司的WG826 型固化剂。环氧树脂和水性环氧固化剂的指标如表1 所示。

(3) 所用骨料为产自河北省石家庄市灵寿县的24 目金刚砂。

1.2 SBS 改性乳化沥青的制备

将0.8 份乳化剂加入到60°C 水中，并通过向皂液中滴加37%盐酸将皂液的pH 值调节至2.0～2.2 之间，充分搅拌皂液使乳化剂完全溶解，随后倒入皂液罐中；将SBS改性沥青加热到170～180°C 之间； 同时对胶体磨及管线进行预加热至85～95°C。 打开循环水换热器，依次开启胶体磨、皂液输送泵和沥青输送泵，调节皂液输送泵和沥青输送泵的流量，制备出固含量为50%的改性乳化沥青。制得的乳化沥青技术指标测试结果如表2 所示。

表1 环氧树脂和水性环氧固化剂的技术指标

表2 改性乳化沥青的技术指标测试结果

1.3 环氧树脂乳液的制备

通过反相乳化法制备环氧树脂乳液，具体步骤为：将55 份水性自乳化环氧树脂置于50°C 水浴中， 并用高速搅拌机以1000r/min 的搅拌速度进行搅拌。待树脂温度稳定后加入18 份50°C 的水，搅拌30min；然后再加入13.5份50°C 水， 搅拌5min； 最后再加入剩余的13.5 份50°C水，搅拌5min，即得固含量为55%的环氧树脂乳液。

1.4 粘结性能测试

采用AC-13 沥青混合料车辙板试件作为实施嵌固抗滑极薄磨耗封层的模拟路面载体， 并进行拉拔强度测试。AC-13 沥青混合料的矿料级配见表3。 胶结料为I-D型SBS 改性沥青，最佳油石比为5.0%。 混合料的空隙率为4.2%，其它指标均满足相关规范要求。

将水性环氧树脂和水性固化剂按照树脂乳液: 水性固化剂=10:7.5 的比例进行混合， 搅拌5min 后形成环氧树脂胶，分别按照环氧树脂胶:乳化沥青:金刚砂=10:10:7的比例充分搅拌均匀, 制备成嵌固抗滑极薄磨耗封层材料。 在车辙板中心选取一块直径为10cm 的圆形区域，将封层材料按照3kg/m2的涂抹量进行涂抹，并用连接在拉拔仪上的φ10cm 拉拔头与其充分粘结，静置12h，设定拉伸速度为10mm/min 并启动拉拔仪，测试最大拉拔力，并按照以下公式计算拉拔强度。

表3 AC-13 沥青混合料矿料级配

式中，σ——拉拔强度，MPa；

P——拉伸过程中出现的最大拉力，kN。

1.5 防水性能和抗滑性能测试

与拉拔强度测试相同，采用AC-13 沥青混合料车辙板试件作为模拟路面载体，并在车辙板上涂覆封层材料，固化12h 后，按照T0730-2011 规定的方法测试嵌固抗滑极薄磨耗封层的渗水系数，按照T0964-2008 规定的方法测试嵌固抗滑极薄磨耗封层的摆式摩擦系数。

1.6 耐磨刷测试

为研究水性环氧树脂的耐水性能和耐磨耗性能，借鉴涂料测试中的耐磨刷性能测试方法， 测试设备为广州市盛华实业有限公司生产的耐磨刷测试仪BEVS-2805，如图1 所示。 为尽可能模拟实际使用过程中负重车轮与封层材料之间的磨耗过程， 将设备中的磨刷头更换成聚氨酯轮胎橡胶块，同时加载1000g 不锈钢块配重件。通过复写纸测试， 配重后磨刷头与试件的接触面尺寸为10mm×1.4mm，即接地压强大约为0.7MPa。 测试速度设定为每分钟37 循环，单次磨刷距离30cm，即平均扫刷速度约为80km/h。 测试时，将嵌固抗滑极薄磨耗封层材料涂刷到白色胶片上，固化12h 后，分别采用干刷和湿刷两种模式进行测试， 以封层材料被刷透并导致局部露出白色胶片时的扫刷次数评判涂层耐磨刷能力。

图1 耐磨刷测试仪及测试试件

1.7 室外模拟试验

在泉州市某城市道路施工小型嵌固抗滑极薄磨耗封层及传统含砂雾封层试验段， 并连续跟踪观测试验段的防水及抗滑性能的变化。

2 结果与讨论

2.1 复合胶结料的恩格拉粘度与粒径

将水性环氧树脂胶(包含环氧树脂乳液与水性环氧固化剂) 与改性乳化沥青按比例混合并充分搅拌均匀后形成的混合液密封放置不同时间， 分别进行恩格拉粘度测试，其结果如图2 所示。

图2 水性环氧树脂胶与改性乳化沥青混合后的恩格拉粘度变化

通过静置存储不同时间后的恩格拉粘度变化可知，环氧树脂乳液与水性环氧固化剂混合形成的环氧胶会快速发生交联反应， 体系粘度逐渐增大； 改性乳化沥青在1h 的时间范围内， 恩格拉粘度几乎不会发生任何变化；而环氧胶与改性乳化沥青的混合物随时存储时间延长，也呈现出粘度增长的趋势， 但由于环氧胶浓度被改性乳化沥青稀释，环氧树脂与固化剂之间的反应速率减慢，因此其粘度增长速度要明显低于单一的环氧胶。 根据环氧胶/改性乳化沥青混合物的粘度增长规律，为保证嵌固抗滑极薄磨耗封层材料的良好施工性和可喷洒性， 应尽可能在混合后的30min 以内完成喷洒施工。

图3 水性环氧树脂胶与改性乳化沥青混合后的粒径分布

将水性环氧树脂胶与改性乳化沥青混合液用皂液稀释20 倍，随后利用激光粒度仪测试混合液的粒径，得到其粒径分布如图3 所示。 图3 中出现的两个峰分别是环氧树脂乳液和乳化沥青颗粒的粒径， 根据两者的掺量和浓度大小， 可以推断出0.562μm 应为环氧树脂乳液颗粒的平均粒径(两者掺量相等， 但环氧树脂乳液的浓度较大，峰也会较高)，2.089μm 应为改性乳化沥青颗粒的平均粒径。两个峰均呈现出尖而窄的形状，表明两种不同的颗粒粒径基本都是呈现单分布状态， 可以推断出两种材料的乳化过程均较为稳定、均一。两种胶结料的粒径差别也较大，使得环氧树脂乳液颗粒更容易地实现均匀分散，最终形成两种胶结料相互穿插的网格结构。

2.2 粘结强度分析

嵌固极薄抗滑磨耗封层的拉拔强度测试结果如表4所示。为进一步研究环氧胶对拉拔强度的影响规律，本研究中改变了不同的环氧胶掺量， 对其拉拔强度进行同条件对比测试。由试验结果可以看出，未添加环氧树脂的情况下 (近似于传统的含砂雾封层)， 拉拔强度只有0.61MPa；而掺加环氧树脂后拉拔强度大幅度提升，当环氧胶/改性乳化沥青/金刚砂=10∶10∶7 时， 拉拔强度达到2.33MPa，远超出传统含砂雾封层的粘结强度。 考虑到环氧树脂掺加量太大的情况下， 容易造成混合体系的固化速度过快，不利于施工操作，因此在后续研究中，选用环氧胶/改性乳化沥青/金刚砂=10∶10∶7 作为封层材料的体系。

表4 嵌固极薄抗滑磨耗封层材料的拉拔强度

2.3 抗滑性能

对涂覆嵌固抗滑极薄磨耗封层的车辙板利用摆式摩擦系数测试潮湿状态下的摆值BPN，测试结果如表5所示。 尽管试验中所用的载体为新制的车辙板试件，表面的摆式摩擦系数较高，但是与之相比，涂覆嵌固抗滑极薄磨耗封层后仍然呈现出更高的摆值。 涂覆封层材料后， 试件表面一定程度上保留了原来路面结构的构造，同时又加上了金刚砂提供的表面粗糙度，因此可以大幅度提高表面的抗滑能力。

表5 潮湿状态下磨耗层的摆值BPN

2.4 防水性能

涂覆嵌固抗滑极薄磨耗层前后的渗水系数测试结果如表6 所示。 由结果可知，涂覆封层材料后试件表面不透水。 这是由于封层材料的“胶结料/骨料”比较大，而且在施工初期环氧树脂未发生固化时， 胶结料的粘度较低，会渗透到原路面表面，有效填充原路面的微空隙，并且在原路面表面形成一层致密的防水膜， 因此可以获得优异的防渗能力，有效地保护原路面，减少渗水损害。

表6 涂覆嵌固抗滑极薄磨耗层前后的渗水系数变化

2.5 耐久性能

利用耐磨刷测试仪， 分别测试了在干燥和潮湿条件下嵌固抗滑极薄磨耗封层能够承受磨刷的次数， 测试结果如表7 所示。 由结果可知， 不管是干刷还是湿刷条件下，掺加环氧胶之后，封层材料的耐水、耐磨刷性能均比未掺加环氧胶的传统含砂雾封层要有明显提升。 其主要原因是环氧树脂固化后形成的粘结强度要明显高于改性沥青，不仅有利于增强胶结料与骨料之间的粘结，同时还大幅提高了封层材料与基材之间的粘结强度， 有效地抵抗了水对粘结界面的侵蚀和剥离作用， 能够显著延长封层材料的预期使用寿命。

表7 嵌固抗滑极薄磨耗封层的耐久性测试

2.6 室外模拟

铺设一年后对嵌固抗滑极薄磨耗封层和传统含砂雾封层样品的表面情况进行观察， 外观照片如图4 所示。 铺设一年之后，嵌固抗滑极薄磨耗封层的表面完好无损， 而传统含砂雾封层样品的表面沿轮迹带方向有明显的磨损现象，基本可以见到原来路面的结构。 这是因为环氧树脂极性大，粘结能力强，同时固化后形成网络穿插结构增强了封层材料的整体性能。 由表8 所示的室外模拟试验段的现场测试结果可知， 两种样品摩擦系数随通车时间而减小， 其中抗滑极薄磨耗封层衰减的速率较慢，而传统含砂雾封层由于磨损严重，其摆式摩擦系数下降明显。

图4 嵌固抗滑极薄磨耗封层与传统含砂雾封层试验段对比

表8 嵌固抗滑极薄磨耗封层与含砂雾封层试验段的抗滑能力和防水能力对比

3 结语

本文从粘结强度、抗滑性能、防水能力、耐磨耗性能等方面对嵌固抗滑极薄磨耗封层与传统含砂雾封层两种预防性养护技术进行了对比分析。 借助于环氧树脂自身优异的粘结能力和力学性能， 以及环氧树脂与乳化沥青之间形成的网状穿插结构， 嵌固抗滑极薄磨耗封层在牢固粘结、防水抗渗、耐久抗滑等方面都体现出了明显的优势。近年来以恢复路面抗滑性能、提高行车安全系数为主要目标的预防性养护技术层出不穷， 实现快速简易施工并且廉价耐久是主要发展趋势。 嵌固抗滑极薄磨耗封层能够明显提升路面抗滑性能并且持续耐久， 还能兼顾防水抗渗、改善外观等功能，在我国公路养护市场中具有重要的推广价值和广阔的应用前景。